(Phys.org) —Ubiquito pero frustrante, Las baterías de iones de litio se desvanecen porque los materiales pierden su estructura en respuesta a la carga y descarga. Este cambio estructural está estrechamente relacionado con la formación de regiones ricas en electrones dentro del electrodo, según los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL), la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China, Northwestern University, y el Instituto Politécnico Rensselaer. El equipo utilizó experimentos y simulaciones moleculares para demostrar que la región rica en electrones hace que se rompan los enlaces de silicio. La rotura del enlace transforma el silicio cristalino en una aleación amorfa de litio y silicio.

"No estaba absolutamente claro qué estaba pasando, aunque muchos artículos describen cómo la inserción de iones de litio en materiales conduce a la amorfización, "dijo el Dr. Fei Gao, un físico químico y un autor correspondiente del estudio. "Proponemos que las condiciones locales ricas en electrones inducen la amorfización".

Como todo propietario de un teléfono móvil sabe, las baterías de iones de litio se desvanecen, almacenar menos energía cada vez que se cargan. Tiempo extraordinario, una batería se deteriora hasta el punto de tener que ser reemplazada, tanto a un costo ambiental como financiero. Este estudio explica lo que se ha visto una y otra vez en experimentos:operar baterías con silicio, óxido de zinc, germanio, u otros materiales aislantes dan lugar a electrodos amorfizados, pero el aluminio o algunos otros metales siguen siendo una aleación cristalina. Los resultados de este estudio podrían ayudar a diseñar materiales más duraderos no solo para teléfonos celulares, pero también para coches eléctricos.

"Las crecientes demandas de energía de la información y el transporte dependen del progreso de las técnicas de almacenamiento de energía, como las baterías de iones de litio debido a su densidad de energía relativamente alta y su flexibilidad de diseño. El desarrollo oportuno de una mejor batería es la fuerza impulsora para la creación de nuevos materiales para el almacenamiento de energía. "dijo el Dr. Chongmin Wang, experto en imágenes químicas en PNNL e investigador en este estudio.

Cuando se carga una batería de iones de litio, Los iones de litio se insertan en el ánodo. un proceso conocido como litiación. Los iones del ánodo comienzan por estar dispuestos en una red bien definida, pero en ciertos casos se convierten en un revoltijo amorfo. En este estudio, los científicos utilizaron ánodos de nanocables de silicio dopados con fósforo. Los nanocables se cultivaron en el Centro de Nanotecnologías Integradas del DOE, en el Laboratorio Nacional de Los Alamos y la Universidad Northwestern, utilizando deposición química de vapor.

El equipo llevó los nanocables al EMSL del DOE, ubicado en PNNL, y los ensambló en una pequeña batería dentro de un microscopio electrónico de transmisión con corrección de aberraciones y litiación observada, a resolución de celosía. Además, observaron el comportamiento de estas regiones con imágenes de microscopía electrónica de transmisión de barrido y mapas de espectroscopía de pérdida de energía electrónica. Para complementar las observaciones experimentales, estudiaron electrodos a base de metal utilizando un método de dinámica molecular de teoría funcional de densidad a gran escala y formaron cristales de sierra. El equipo también examinó las reacciones que dan como resultado siliciuro de litio cristalino en condiciones ricas en electrones.

Descubrieron que la amorforización siempre comienza en las interfaces entre el silicio y una aleación de litio-silicio donde se produce una alta concentración localizada de electrones. Para adaptarse a los electrones adicionales y un alto nivel de iones de litio que ingresan a la red, los enlaces entre los átomos de silicio en la red cristalina se rompen. Los enlaces rotos crean átomos de silicio aislados y conducen a fases desordenadas.

"La experiencia tanto en baterías de iones de litio como en imágenes químicas nos dio la ventaja, "dijo el Dr. Louis Terminello, quien lidera la Iniciativa de Imagen Química en PNNL, el patrocinador principal de este estudio.

Los científicos están realizando simulaciones computacionales para respaldar experimentos destinados a comprender completamente las baterías. Por ejemplo, continúan explorando el comportamiento del grafeno, un material de gran interés en el almacenamiento de energía. También, Están haciendo un trabajo computacional con experimentadores para dilucidar el comportamiento de los iones en los materiales para la batería recargable de iones de litio. específicamente el cátodo de óxido de litio, níquel y manganeso.